WO2016104806A1 - ロボットアーム機構及び直動伸縮機構 - Google Patents

ロボットアーム機構及び直動伸縮機構 Download PDF

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connecting piece
joint
bendable
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尹 祐根
眞二 栗原
光 佐野
順央 川口
宗祐 ▲高▼▲瀬▼
摩美 前田
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ライフロボティクス株式会社
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    • F16H19/0636Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion for interconverting rotary or oscillating motion and reciprocating motion comprising flexible members, e.g. an endless flexible member the flexible member being a non-buckling chain

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a robot arm mechanism and a linear motion extension mechanism.
  • the vertical articulated arm mechanism is required to have 3 degrees of freedom (x, y, z) in terms of position and 3 degrees of freedom ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) in terms of posture.
  • the translational movement of the hand requires joint rotation of the joints J1, J2, and J3, and therefore the movement of the joint J2, particularly called the elbow, is very large and cannot be predicted. Especially in the vicinity of the singular point, the elbow It is inevitable that the movement of the robot becomes very fast.
  • One effective measure for securing 6 degrees of freedom after eliminating the elbow joint is to employ a linear motion extension mechanism.
  • the linear motion expansion / contraction mechanism is characterized by a large linear motion movable range as compared with the conventional linear motion mechanism.
  • the linear motion expansion / contraction mechanism includes a plurality of connecting pieces that are connected to bend freely.
  • the connecting pieces housed in a hollow support body are sent out as columnar bodies by restraining the bending, and the connecting pieces are recovered by restoring the bending. Is pulled back and stored in a hollow support.
  • the purpose is to improve the storage performance of a plurality of connecting pieces that are connected flexibly.
  • the robot arm mechanism has a rotary joint part and a linear expansion / contraction joint part.
  • the linear motion expansion / contraction joint has a plurality of first connecting pieces having a B-shaped cross section connected to bendable and a plurality of second connecting pieces having a flat plate shape connected to bendable.
  • the first connecting piece is joined to the second connecting piece at the upper portion thereof, so that the bending is restricted and the columnar body 2 is configured.
  • the columnar body is released by separating the first and second connecting pieces.
  • the injection part 32 joins the first connecting piece to the second connecting piece to form a columnar body and supports the columnar body.
  • the plurality of first connecting pieces are connected to be able to bend alternately at the upper part and the lower part, and the upper surfaces and the lower surfaces are alternately stacked and stored in the base 1.
  • FIG. 1 is an external perspective view of the robot arm mechanism according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing the robot arm mechanism of FIG.
  • FIG. 3 is a side view of the robot arm mechanism of FIG.
  • FIG. 4 is a side view showing the internal structure of the robot arm mechanism of FIG.
  • FIG. 5 is a side view of the robot arm mechanism according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a plan view showing the internal structure of the robot arm mechanism of FIG.
  • FIG. 7 is a side view showing the internal structure of the robot arm mechanism according to the third embodiment.
  • FIG. 8 is a side view showing an internal structure according to a modification of the robot arm mechanism of FIG.
  • the robot arm mechanism 200 is configured as a so-called vertical articulated arm mechanism, and includes a substantially cylindrical base portion 1 and an arm portion 2 supported by the base portion 1.
  • a hand effector 3 called an end effector is attached to the tip of the arm unit 2.
  • a hand unit capable of gripping an object is shown as the hand effector 3.
  • the hand effector 3 is not limited to the hand unit, and may be another tool, a camera, or a display.
  • An adapter that can be replaced with any kind of hand effector 3 may be provided at the tip of the arm portion 2.
  • the arm portion 2 has a plurality of, here six joint portions J1, J2, J3, J4, J5 and J6.
  • the plurality of joint portions J1, J2, J3, J4, J5, and J6 are sequentially arranged from the base portion 1.
  • the first, second, and third axes RA1, RA2, and RA3 are referred to as root three axes
  • the fourth, fifth, and sixth axes RA4, RA5, and RA6 are referred to as wrist three axes.
  • the wrist portion 4 accommodates joint portions J4, J5, and J6 that constitute the wrist three axes.
  • At least one of the joint portions J1, J2, and J3 constituting the base three axes is a linear motion joint.
  • the third joint portion J3 is configured as a linear motion joint, particularly as a linear motion expansion / contraction joint having a relatively long expansion / contraction distance.
  • FIG. 3A shows the most expanded state
  • FIG. 3B shows the most contracted state.
  • the first joint portion J1 is a torsion joint centered on the first rotation axis RA1 supported, for example, perpendicularly to the base surface.
  • the second joint portion J2 is a bending joint centered on the second rotation axis RA2 arranged perpendicular to the first rotation axis RA1.
  • the arm part 2 turns together with the hand part 3 by the torsional rotation of the first joint part J1.
  • the arm portion 2 moves up and down around the second rotation axis RA2 of the second joint portion J2 together with the hand portion 3.
  • the third joint portion J3 is a joint that linearly expands and contracts around a third axis (moving axis) RA3 arranged perpendicular to the second rotation axis RA2.
  • the fourth joint portion J4 is a torsion joint centered on the fourth rotation axis RA4 that coincides with the third movement axis RA3, and the fifth joint portion J5 is a fifth rotation axis RA5 orthogonal to the fourth rotation axis RA4. It is a bending joint centered around.
  • the sixth joint portion J6 is a bending joint centered on the sixth rotation axis RA6 that is perpendicular to the fourth rotation axis RA4 and perpendicular to the fifth rotation axis RA5.
  • the arm support (first support) 11a forming the base 1 has a cylindrical hollow structure formed around the rotation axis RA1 of the first joint J1.
  • the first support 11 a rotates along with the turning of the arm portion 2.
  • the first support 11a may be fixed to the ground plane.
  • the arm part 2 is provided in a structure that turns independently of the first support 11a.
  • a second support part 11b is connected to the upper part of the first support 11a.
  • the second support portion 11b has a hollow structure that is continuous with the first support portion 11a.
  • One end of the second support portion 11b is attached to the rotating portion of the first joint portion J1.
  • the other end of the second support portion 11b is opened, and the third support portion 11c is fitted so as to be raised and lowered around the rotation axis RA2 of the second joint portion J2.
  • the 3rd support part 11c has a scale-like hollow structure connected to the 1st support part 11a and the 2nd support part.
  • the third support portion 11c is housed in the second support portion 11b and sent out as the second joint portion J2 is bent and rotated.
  • the rear part of the third joint part J3 that constitutes the linear motion joint part of the arm part 2 is housed in the hollow structure in which the first support part 11a and the second support part 11b are continuous by contraction.
  • the first joint portion J1 includes an annular fixed portion and a rotating portion, and is fixed to a base (not shown) at the fixed portion.
  • a first support portion 11a and a second support portion 11b are attached to the rotating portion.
  • the first, second, and third supports 11a, 11b, and 11c rotate together with the arm portion 2 and the hand portion 3 about the first rotation axis RA1.
  • the third support portion 11c is fitted to the lower end portion of the second support portion 11b so as to be rotatable about the rotation axis RA2 at the lower end portion of the second support portion 11b.
  • a second joint portion J2 is formed as a bending joint portion around the rotation axis RA2.
  • the third joint portion J3 as the joint portion constitutes a main component of the arm portion 2.
  • the hand portion 3 described above is provided at the tip of the arm portion 2. It is possible to place the two-finger hand 16 of the hand portion 3 at an arbitrary position and posture by rotating, bending, and extending / contracting the first to sixth joint portions J1-J6.
  • the length of the linear motion expansion / contraction distance of the third joint portion J3 enables the hand portion 3 to act on a wide range of objects from the proximity position of the base 1 to the remote position.
  • the movable region of the arm portion 2 of the linear motion expansion / contraction mechanism does not have an elbow joint, it is simplified to a fan shape with the radius of the maximum length of the arm 2 due to the linear motion stretchability of the linear motion joint portion J3. Can be done.
  • the third joint portion J3 is characterized by the length of the linear motion expansion / contraction distance realized by the linear motion expansion / contraction mechanism constituting the third joint portion J3.
  • the linear motion expansion / contraction mechanism has a first connection frame row 21 and a second connection frame row 20.
  • the first connection frame row 21 includes a plurality of first connection frames 23 having the same shape and the same size.
  • the first connecting piece 23 is configured as a relatively short tubular body (rectangular tubular body) having a rectangular cross-section with a rectangular side surface.
  • a plurality of first connecting pieces 23 are connected to the upper and lower ends of the end surface alternately by pins 24 along the longitudinal direction of the side surface.
  • the plurality of first connecting pieces 23 are connected at diagonal positions on the side surfaces.
  • the frame end surfaces interfere with each other and can be bent upward, but the downward bending is restricted.
  • the piece end faces similarly interfere with each other and can be bent downward, but the upward bending is restricted.
  • the second connecting piece row 20 includes a plurality of second connecting pieces 22 having a substantially flat plate shape having a width substantially equivalent to the first connecting piece 23.
  • the plurality of second connecting pieces 22 are connected in a row by pins 25 in a bendable state.
  • the first first connected frame 23 in the first connected frame sequence 21 and the first second connected frame 22 in the second connected frame sequence 20 are connected to the combined frame 26.
  • the connecting piece 26 has an upper portion of the rectangular parallelepiped so that the connecting position of the joined first connecting piece 23 and the connecting position of the second connecting piece row 20 are shifted by 1/2 of their lengths. It has a shape protruding by 2.
  • the first and second connected frame rows 20 and 21 are sent out from the third support portion 11c with the connecting frame 26 as a starting end, the first connected frame row 21 and the second connected frame row 20 are joined to each other. .
  • the 1st connection top row 21 and the 2nd connection top row 20 are in a joined state, the bending of the 1st connection top row 21 and the 2nd connection top row 20 is restrained.
  • the first connecting frame row 21 and the second connecting frame row 20 constitute a columnar body having a certain rigidity.
  • column 20 are in the isolation
  • the injection unit 32 includes a plurality of upper rollers 33, a plurality of lower rollers 34, and a side roller (not shown) supported by a square-shaped frame 35.
  • the plurality of upper rollers 33 are arranged along the arm central axis at an interval substantially equivalent to the length of the second connecting piece 22.
  • the plurality of lower rollers 34 are arranged along the arm central axis at an interval substantially equal to the length of the first connecting piece 23.
  • the second connecting piece row 20 is guided to a posture parallel to the arm central axis by a pair of guide rollers 27 and a drive gear 29 disposed behind the injection unit 32.
  • a drive shaft of a motor (not shown) is connected to the drive gear 29 via a speed reducer.
  • a linear gear is formed on the surface of the bottom plate of the second connection top row 20 and constitutes a rack and pinion mechanism together with the drive gear 29.
  • the rotational motion of the motor is transmitted to the second connecting piece row 20 via the rack and pinion mechanism, and the second connecting piece row 20 is sent along with the first connecting piece row 21 to the injection unit 32, and the injection unit 32. Pulled back from.
  • the first connecting frame row 21 is guided to the injection unit 32 by a guide rail (not shown) arranged behind the injection unit 32.
  • the first connection frame row 21 and the second connection frame row 20 are inserted between the upper roller 33 and the lower roller 34 while being pressed against each other.
  • the injection part 32 joins the 1st connection top row
  • the columnar body formed by joining the first connection frame row 21 and the second connection frame row 20 is linearly sent out along the third movement axis RA3.
  • the first connection piece 23 is connected to bendable by, for example, the pins 24 alternately at the upper end face and the lower end face.
  • the upper end of the upper surface of the first connecting piece 23 (referred to as A) having a rectangular tube shape and the upper end of the upper surface of the first connecting piece 23 (referred to as B) adjacent to the rear thereof can be bent by the pin 24.
  • the rear end of the lower surface of the first connecting piece 23 (B) and the front end of the lower surface of the first connecting piece 23 (referred to as C) adjacent to the rear thereof are connected by a pin 24 so as to be bent.
  • the front and rear first connecting pieces 23 (A, B) whose upper surfaces are connected to each other can be bent upward, but the end surfaces of the front and rear first connecting pieces 23 interfere with each other and do not bend downward.
  • the front and back first connecting pieces 23 (B, C) whose lower surfaces are connected can be bent downward, but the end surfaces of the front and rear first connecting pieces 23 interfere with each other and do not bend upward.
  • the upper and lower first connecting pieces 23 (A, B) connected at the upper part are rotated by 180 degrees around the pin 24 so that the upper surfaces are brought together.
  • the front and back first connecting pieces 23 (B, C) connected at the lower part are rotated 180 degrees around the pin 24 so that the lower surfaces are brought together.
  • the first connecting pieces 23 can be accommodated in the base 1 in a state in which the first connecting pieces 23 are folded alternately by aligning the first connecting pieces 23 on the upper surfaces and the lower surfaces. Since the first connecting piece 23 is configured as a cylindrical body having a rectangular cross section with a rectangular side surface, the first connecting piece 23 is vertically stored by being stored in the base 1 in a folded state as described above. The length of the space required for the storage can be reduced as compared with the case where the long sides are aligned and stored in a row. (Second Embodiment) In the said 1st Embodiment, the storage space length was shortened by accommodating the 1st connection top row
  • FIG. 5 shows a side view of the robot arm mechanism according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a plan view showing the internal structure of the robot arm mechanism of FIG.
  • the first connection top row 21 and the second connection top row 20 are the vertical direction of the robot arm mechanism (vertical articulated arm mechanism) (the first rotation axis (swivel axis) of the first joint portion J1). In the second embodiment, it is joined in the lateral direction (direction of the second rotation axis RA2). Further, in the first embodiment, the first connection frame row 21 and the second connection frame row 20 are vertically housed in the substantially cylindrical first support 11a, whereas the second embodiment Then, it is accommodated in the second support 11b in the lateral direction.
  • the second support body 11b is a box-shaped body having a planar shape in which a semicircle and a quadrangle are combined.
  • the arm portion 2 is swung together with the second support 11b and is raised and lowered.
  • the second support 11b is arranged with respect to the first support 11a so that the first rotation axis RA1 is positioned on the arm center axis (RA3, RA4).
  • a circular or polygonal reel 13 for winding the first connecting frame row 21 on its bent side (referred to as the inner side) is accommodated inside the second support 11b.
  • a guide rail 36 that guides the first connecting frame row 21 is provided between the reel 13 and the injection unit 32.
  • the rearmost first connecting piece 23 is connected to the circumferential surface of the reel 13.
  • the rotation axis of the reel 13 is arranged in a direction orthogonal to the second rotation axis RA2 and the third movement axis (arm central axis) RA3, that is, in the vertical direction so as to wind up the first connecting frame row 21 sideways.
  • the rotation of the reel 13 is driven by a motor M.
  • the motor M is shared by both drives as a common actuator for the reel 13 and the drive gear 29 for extending and retracting the arm of the third joint J3.
  • the rotation shaft of the reel 13 is connected to the drive shaft of the motor M via a speed reducer or a belt mechanism, and the reduction ratio thereof is fed out from the first connecting piece row 21 in conjunction with the arm expansion / contraction speed of the third joint portion J3. It has been adjusted to take.
  • the inner wall of the second support 11b is provided in an arc shape.
  • the second connecting piece row 20 pulled back into the second support 11b by the reverse rotation of the drive gear 29 is urged by the coil spring 42, and is inside the second support 11b and on the inner wall of the second support 11b.
  • the guide rail 41 is provided from the drive gear 29 to the end of the arc-shaped inner wall portion of the second support 11b, and is composed of a substantially straight portion and an arc portion, and is separated from the rear of the injection portion 32, and is connected to the first connecting piece row 21. And the situation where the second linked top row 20 is entangled with each other is preferably avoided.
  • the second connection piece row 20 is second supported in a state of being rounded in an arc shape on the same side as the first connection piece row 21 with the arm central axis (rotation axis RA3) interposed therebetween. It is stored in the body 11b. Ideally, the second connection frame row 20 is stored concentrically with the first connection frame row 21.
  • the first connecting piece row 21 is wound and accommodated in the second support 11b in the lateral direction, and the second connecting piece row 22 is also the same as the first connecting piece 23 in the second support 11b.
  • the length of the storage space in the vertical direction can be shortened compared to the first embodiment.
  • the overload resistance in the vertical direction can be improved.
  • the first connection piece row 21 is wound and stored in the second support 11b in the lateral direction, and the second connection piece row 22 is also stored in the second support 11b.
  • the second support 11b is a box-shaped body having a planar shape in which a semicircle and a quadrangle are combined, and on the first support 11a. It is supported so that it can pivot and undulate.
  • the rotation axis of the reel 13 is arranged in a direction orthogonal to the first rotation axis RA1 and parallel to the second rotation axis RA2 so as to wind up the first connecting frame row 21 in the vertical direction, and typically,
  • the rotation axis of the reel 13 coincides with the rotation axis RA2 of the second joint portion J2, and the rotation axis RA1 of the first joint portion J1 does not coincide with the rotation axis of the reel 13 and passes through the first.
  • the second supports 11a and 11b are configured.
  • the rotation axis of the reel 13 is positioned on the rotation axis RA1 of the first joint portion J1, and the rotation axis RA2 of the second joint portion J2 is positioned below the rear end of the injection portion 32.
  • 1, 2nd support body 11a, 11b may be comprised.
  • the first connection piece row 21 is wound in the vertical direction inside the second support body 11b and stored, and the second connection piece row 22 is also the same as the first connection piece 23 inside the second support body 11b.
  • the length of the storage space in the vertical direction can be shortened compared to the first embodiment, and further, the side of the second support 11b can be more lateral than the second embodiment. The spread of the direction can be suppressed.

Abstract

 屈曲自在に連結された複数の連結コマの収納性を向上させること。 ロボットアーム機構は回転関節部と直動伸縮関節部J3とを有する。直動伸縮関節部は、屈曲可能に連結された断面ロ字形状を有する複数の第1連結コマ23と、屈曲可能に連結された平板形状を有する複数の第2連結コマ22とを有する。第1連結コマはその上部において第2連結コマに接合されることにより屈曲が拘束されて柱状体2が構成される。第1、第2連結コマの分離により柱状体が解除される。射出部32は第1連結コマを第2連結コマに接合し柱状体を構成するととともに柱状体を支持する。複数の第1連結コマは上部と下部とで交互に屈曲可能に連結され、上面同士と下面同士が交互に重ねられて基部1に収納される。

Description

ロボットアーム機構及び直動伸縮機構
 本発明の実施形態はロボットアーム機構及び直動伸縮機構に関する。
 垂直多関節部アーム機構には位置に関して3自由度(x,y,z)、姿勢に関して3自由度(φ,θ,ψ)が要求される。手先の併進移動は関節部J1,J2,J3にその連動回転を要求するため特に肘部と呼ばれる関節部J2の動きは非常に大きくしかもその動きを予測できず、特に特異点の近傍では肘部の動きが非常に高速になることは避けられない。肘関節を解消した上で6自由度を確保するための有効な対策の一つとして直動伸縮機構の採用がある。直動伸縮機構は従来の直動機構と比較して直動可動域が大きいことを特徴としている。直動伸縮機構は、屈曲自在に連結された複数の連結コマを備えており、中空の支持体に収納された連結コマをその屈曲を拘束させ柱状体として送り出すとともに、屈曲を回復させて連結コマを引き戻し、中空の支持体に収納させる。
 目的は、屈曲自在に連結された複数の連結コマの収納性を向上させることにある。
 本実施形態に係るロボットアーム機構は回転関節部と直動伸縮関節部とを有する。直動伸縮関節部は、屈曲可能に連結された断面ロ字形状を有する複数の第1連結コマと、屈曲可能に連結された平板形状を有する複数の第2連結コマとを有する。第1連結コマはその上部において第2連結コマに接合されることにより屈曲が拘束されて柱状体2が構成される。第1、第2連結コマの分離により柱状体が解除される。射出部32は第1連結コマを第2連結コマに接合し柱状体を構成するととともに柱状体を支持する。複数の第1連結コマは上部と下部とで交互に屈曲可能に連結され、上面同士と下面同士が交互に重ねられて基部1に収納される。
図1は、第1実施形態に係るロボットアーム機構の外観斜視図である。 図2は、図1のロボットアーム機構を図記号表現により示す図である。 図3は、図1のロボットアーム機構の側面図である。 図4は、図1のロボットアーム機構の内部構造を示す側面図である。 図5は、第2実施形態に係るロボットアーム機構の側面図である。 図6は、図5のロボットアーム機構の内部構造を示す平面図である。 図7は、第3実施形態に係るロボットアーム機構の内部構造を示す側面図である。 図8は、図7のロボットアーム機構の変形例に係る内部構造を示す側面図である。
 以下、図面を参照しながら本実施形態に係るロボットアーム機構を説明する。 
(第1実施形態) 
 図1、図2に示すようにロボットアーム機構200は、いわゆる垂直多関節アーム機構として構成され、略円筒形状の基部1と基部1に支持されるアーム部2とからなる。アーム部2の先端にはエンドエフェクタと呼ばれる手先効果器3が取り付けられる。図1では手先効果器3として対象物を把持可能なハンド部を示している。手先効果器3としてはハンド部に限定されず、他のツール、またはカメラ、ディスプレイであってもよい。アーム部2の先端には任意の種類の手先効果器3に交換することができるアダプタが設けられていてもよい。
 アーム部2は、複数、ここでは6つの関節部J1,J2,J3,J4,J5,J6を有する。複数の関節部J1,J2,J3,J4,J5,J6は基部1から順番に配設される。一般的に、第1、第2、第3軸RA1,RA2,RA3は根元3軸と呼ばれ、第4、第5、第6軸RA4,RA5,RA6は手首3軸と呼ばれる。手首部4には手首3軸を構成する関節部J4,J5,J6が収納される。根元3軸を構成する関節部J1,J2,J3のうち少なくとも一つは直動関節である。ここでは第3関節部J3が直動関節、特に伸縮距離の比較的長い直動伸縮関節として構成される。図3(a)に最も伸張させた状態を示し、図3(b)に最も収縮させた状態を示している。
 第1関節部J1は基台面に対して例えば垂直に支持される第1回転軸RA1を中心としたねじり関節である。第2関節部J2は第1回転軸RA1に対して垂直に配置される第2回転軸RA2を中心とした曲げ関節である。第1関節部J1のねじり回転によりアーム部2がハンド部3とともに旋回する。第2関節部J2の曲げ回転によりアーム部2がハンド部3とともに第2関節部J2の第2回転軸RA2を中心に起伏動をする。第3関節部J3は、第2回転軸RA2に対して垂直に配置される第3軸(移動軸)RA3を中心として直線的に伸縮する関節である。第4関節部J4は、第3移動軸RA3に一致する第4回転軸RA4を中心としたねじり関節であり、第5関節部J5は第4回転軸RA4に対して直交する第5回転軸RA5を中心とした曲げ関節である。第6関節部J6は第4回転軸RA4に対して直交し、第5回転軸RA5に対して垂直に配置される第6回転軸RA6を中心とした曲げ関節である。
 基部1を成すアーム支持体(第1支持体)11aは、第1関節部J1の回転軸RA1を中心に形成される円筒形状の中空構造を有する。第1関節部J1が回転するとき、第1支持体11aはアーム部2の旋回とともに軸回転する。なお、第1支持体11aが接地面に固定されていてもよい。その場合、第1支持体11aとは独立してアーム部2が旋回する構造に設けられる。第1支持体11aの上部には第2支持部11bが接続される。
 第2支持部11bは第1支持部11aに連続する中空構造を有する。第2支持部11bの一端は第1関節部J1の回転部に取り付けられる。第2支持部11bの他端は開放され、第3支持部11cが第2関節部J2の回転軸RA2を中心に起伏自在に嵌め込まれる。第3支持部11cは第1支持部11a及び第2支持部に連通する鱗状の中空構造を有する。第3支持部11cは、第2関節部J2の曲げ回転に伴ってその後部が第2支持部11bに収納され、また送出される。アーム部2の直動関節部を構成する第3関節部J3の後部はその収縮により第1支持部11aと第2支持部11bの連続する中空構造の内部に収納される。
 第1関節部J1は円環形状の固定部と回転部とからなり、固定部において図示しない基台に固定される。回転部には第1支持部11aと第2支持部11bとが取り付けられる。第1関節部J1が回転するとき、第1、第2、第3支持体11a、11b、11cが第1回転軸RA1を中心としてアーム部2とハンド部3と共に旋回する。
 第3支持部11cはその後端下部において第2支持部11bの開放端下部に対して回転軸RA2を中心として回動自在に嵌め込まれる。それにより回転軸RA2を中心とした曲げ関節部としての第2関節部J2が構成される。第2関節部J2が回動すると、アーム部2がハンド部3とともに第2関節部J2の回転軸RA2を中心に垂直方向に回動、つまり起伏動作をする。
 上記の通り関節部としての第3関節部J3はアーム部2の主要構成物を構成する。アーム部2の先端に上述のハンド部3が設けられる。第1乃至第6関節部J1-J6の回転、曲げ、伸縮によりハンド部3の2指ハンド16を任意の位置・姿勢に配置することが可能である。特に第3関節部J3の直動伸縮距離の長さは、基部1の近接位置から遠隔位置までの広範囲の対象にハンド部3で作用することを可能にする。本実施形態に係る直動伸縮機構のアーム部2の可動領域は、肘関節がないことから、直動関節部J3の直動伸縮性によるアーム2の最大長を半径とする扇形状に単純化され得る。
 第3関節部J3はそれを構成する直動伸縮機構により実現される直動伸縮距離の長さが特徴的である。直動伸縮機構は第1連結コマ列21と第2連結コマ列20とを有する。第1連結コマ列21は、同一形状且つ同一サイズの複数の第1連結コマ23からなる。第1連結コマ23は、側面が長方形をなす断面ロ字形状の比較的短い筒状体(角筒状体)に構成される。側面の長手方向に沿って複数の第1連結コマ23が端面上部と下部とで交互にピン24により屈曲自在に連結される。複数の第1連結コマ23は側面の対角位置で連結される。端面上部でピン24により連結された前後の第1連結コマ23ではコマ端面同士が干渉して上方には屈曲自在であるが、下方への屈曲は拘束される。端面下部でピン24により連結された前後の第1連結コマ23では同様にコマ端面同士が干渉して下方には屈曲自在であるが、上方への屈曲は拘束される。
 第2連結コマ列20は、第1連結コマ23と略等価な幅を有する略平板形状を有する複数の第2連結コマ22からなる。複数の第2連結コマ22は、屈曲可能な状態でピン25により列状に連結される。第1連結コマ列21のうち先頭の第1連結コマ23と、第2連結コマ列20のうち先頭の第2連結コマ22とは結合コマ26に接続される。結合コマ26は、接合された第1連結コマ23の連結位置と第2連結コマ列20の連結位置とがそれらの長さの1/2ずつシフトするよう直方体の上部が当該長さの1/2だけ突出した形状を有する。結合コマ26が始端となって、第3支持部11cから第1、第2連結コマ列20,21が送り出されるときには、第1連結コマ列21と第2連結コマ列20とは互いに接合される。第1連結コマ列21と第2連結コマ列20とが接合状態にあるとき、第1連結コマ列21と第2連結コマ列20の屈曲は拘束される。それにより第1連結コマ列21と第2連結コマ列20とにより一定の剛性を備えた柱状体が構成される。第1連結コマ列21と第2連結コマ列20とが分離状態にあるとき、柱状体が解除され、それぞれが屈曲状態に復帰する。
 図4に示すように第1連結コマ列21と第2連結コマ列20とは第3支持体11cの開口付近に取り付けられた射出部32で接合される。射出部32は、複数の上部ローラ33と複数の下部ローラ34、さらに図示しない側面ローラが角筒形状のフレーム35に支持されてなる。複数の上部ローラ33は第2連結コマ22の長さと略等価な間隔を隔ててアーム中心軸に沿って配列される。同様に、複数の下部ローラ34は第1連結コマ23の長さと略等価な間隔を隔ててアーム中心軸に沿って配列される。第2連結コマ列20は射出部32の後方に配置された一対のガイドローラ27とドライブギア29によりアーム中心軸と平行な姿勢に誘導される。ドライブギア29には図示しないモータのドライブシャフトが減速器を介して接続される。第2連結コマ列20の底板表面にはリニアギアが形成され、ドライブギア29とともにラックアンドピニオン機構を構成する。モータの回転運動が当該ラックアンドピニオン機構を介して第2連結コマ列20に伝達され、第2連結コマ列20が第1連結コマ列21を伴って射出部32に送り込まれ、また射出部32から引き戻される。
 第1連結コマ列21は射出部32の後方に配置された図示しないガイドレールにより射出部32に誘導される。第1連結コマ列21と第2連結コマ列20とは上部ローラ33と下部ローラ34との間に互いに押圧された状態で挿入される。射出部32は、第1連結コマ列21と第2連結コマ列20とを接合して柱状体を構成するとともにその柱状体を上下左右に支持する。第1連結コマ列21と第2連結コマ列20の接合により構成された柱状体は第3移動軸RA3に沿って直線的に送り出される。
 上述の通り第1連結コマ23は端面上部と端面下部とで交互に例えばピン24により屈曲可能に連結される。具体的には、角筒形の第1連結コマ23(Aとする)の上面後端とその後方で隣り合う第1連結コマ23(Bとする)の上面前端とがピン24により屈曲可能に接続される。第1連結コマ23(B)の下面後端と、その後方で隣り合う第1連結コマ23(Cとする)の下面前端とがピン24により屈曲可能に接続される。上面同士が接続された前後の第1連結コマ23(A,B)は上方に屈曲可能であるが、前後の第1連結コマ23の端面どうしが干渉するので下方には屈曲しない。逆に下面同士が接続された前後の第1連結コマ23(B,C)は下方に屈曲可能であるが、前後の第1連結コマ23の端面どうしが干渉するので上方には屈曲しない。上部で連結された前後の第1連結コマ23(A,B)はピン24を中心に180度回転することで上面同士が合わさる。下部で連結された前後の第1連結コマ23(B,C)はピン24を中心に180度回転することで下面同士が合わさる。
 第1連結コマ23を上面同士と下面同士とで交互に合わせて第1連結コマ列21を折り畳んだ状態で基部1に収納することができる。第1連結コマ23は側面が長方形をなす断面ロ字形状の筒状体に構成されているので、上記の通り折り畳んだ状態で基部1に収納させることで、第1連結コマ列21を縦にその長辺を揃えて列状のまま収納するよりもその収納に必要とされるスペースの長さを短縮することができる。
(第2実施形態) 
 上記第1実施形態では第1連結コマ列21を折り畳んだ状態で収納させることでその収納スペース長を短縮した。収納スペース長を短縮する構造としてはそれに限定されない。本第2実施形態では第1連結コマ列21を巻き取ることにより収納スペース長の短縮を実現する。
 図5には第2実施形態に係るロボットアーム機構の側面図を示している。図6には図5のロボットアーム機構の内部構造を示す平面図である。第1実施形態では第1連結コマ列21と第2連結コマ列20とは、当該ロボットアーム機構(垂直多関節アーム機構)の縦方向(第1関節部J1の第1回転軸(旋回軸)RA1の方向)に接合されるのに対して、第2実施形態では横方向(第2回転軸RA2の方向)に接合される。また第1実施形態では第1連結コマ列21と第2連結コマ列20は略円筒状の第1支持体11a内に縦方向に収納されるものであったのに対して、第2実施形態では第2支持体11b内に横方向に収納される。
 第2実施形態では第2支持体11bは半円と四角形とが合成された平面形状をなす箱形状体であり、第1支持体11a上に、第1、第2回転軸RA1,RA2周りに回転自在、つまり旋回自在及び起伏自在に支持され、アーム部2は第2支持体11bとともに旋回し、起伏される。典型的には第1回転軸RA1がアーム中心軸(RA3,RA4)上に位置するよう第2支持体11bは第1支持体11aに対して配置される。
 第2支持体11bの内部には第1連結コマ列21をその屈曲側(内側という)に巻き取るための円形又は多角形のリール13が収容されている。このリール13と射出部32との間には第1連結コマ列21をガイドするガイドレール36が設けられる。第1連結コマ列21をなす複数の第1連結コマ23のうち最尾の第1連結コマ23はリール13の円周面に接続される。
 リール13の回転軸は、第1連結コマ列21を横向きに巻き取るよう第2回転軸RA2及び第3移動軸(アーム中心軸)RA3に直交する向き、つまり縦方向に配置される。このリール13の回転はモータMにより駆動される。典型的にはこのモータMはリール13と第3関節部J3のアーム伸縮用のドライブギア29との共通アクチュエータとして両駆動で兼用される。リール13の回転軸はモータMのドライブシャフトに減速器又はベルト機構を介して接続され、その減速比は第3関節部J3のアーム伸縮速度に連動して第1連結コマ列21を送り出し、巻き取るよう調整されている。
 第2支持体11bの内壁は円弧状に設けられる。ドライブギア29の逆回転により第2支持体11b内に引き戻された第2連結コマ列20は、コイルバネ42に付勢され、第2支持体11bの内部であって、第2支持体11bの内壁とガイドレール41との間の収納スペースに収納される。ガイドレール41はドライブギア29から第2支持体11bの円弧状の内壁部分の終端まで施設され、略直線部分と円弧部分とからなり、射出部32の後方で分離された第1連結コマ列21と第2連結コマ列20とが互いに絡み合う事態を好適に回避する。第2連結コマ列20は、アーム中心軸(回転軸RA3)を挟んで第1連結コマ列21と同じ側に、第1連結コマ列21の外側に円弧状に丸められた状態で第2支持体11b内に収納される。理想的には第2連結コマ列20は第1連結コマ列21と同心円状に収納される。
 このように第1連結コマ列21を第2支持体11bの内部に横方向に巻き取って収納させ、さらに第2連結コマ列22も第2支持体11bの内部に第1連結コマ23と同じ側に丸く円弧状に収納させるようにしたことにより、第1実施形態よりも縦方向の収納スペース長を短縮することができる。第1、第2連結コマ列21、22を横方向に接合させることにより縦方向に関する耐過重性を向上させることもできる。
(第3実施形態) 
 上記第2実施形態では第1連結コマ列21を第2支持体11bの内部に横方向に巻き取って収納させ、さらに第2連結コマ列22も第2支持体11bの内部に第1連結コマ23と同じ側に屈曲させて収納させるようにしたことにより縦方向の収納スペース長を大幅に短縮させることを実現したが、巻き取る方向はそれに限定されない。
 図7に示すように、第3実施形態でも第2実施形態と同様に第2支持体11bは半円と四角形とが合成された平面形状をなす箱形状体であり、第1支持体11a上に旋回自在及び起伏自在に支持される。第3実施形態ではリール13の回転軸は、第1連結コマ列21を縦向きに巻き取るよう第1回転軸RA1に直交する向き、第2回転軸RA2と平行に配置され、典型的にはリール13の回転軸は、第2関節部J2の回転軸RA2に一致され、そして第1関節部J1の回転軸RA1はリール13の回転軸とは不一致であってその後方を通るように第1、第2支持体11a、11bが構成される。
 なお、図8に示すようにリール13の回転軸が第1関節部J1の回転軸RA1上に位置し、第2関節部J2の回転軸RA2が射出部32の後端下方に位置するよう第1、第2支持体11a、11bが構成されていてもよい。
 このように第1連結コマ列21を第2支持体11bの内部に縦方向に巻き取って収納させ、さらに第2連結コマ列22も第2支持体11bの内部に第1連結コマ23と同じ側に丸く円弧状に屈曲させて収納させるようにしたことにより、第1実施形態よりも縦方向の収納スペース長を短縮することができ、さらに第2実施形態よりも第2支持体11bの横方向の広がりを抑制することができる。
 本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
 1…基部、2…アーム部、3…手先効果器、J1,J2,J4,J5,J6…回転関節部、J3…直動関節部、11a…第1支持体、11b…第2支持体、11c…第3支持体、20…第2連結コマ列、21…第1連結コマ列、22…第2連結コマ、23…第1連結コマ、24…連結ピン、26…結合コマ、27…ガイドローラ、29…ドライブギア。

Claims (9)

  1.  回転関節部と直動伸縮関節部とを有するロボットアーム機構において、
     前記直動伸縮関節部は、
     屈曲可能に連結された断面ロ字形状を有する複数の第1連結コマと、
     屈曲可能に連結された平板形状を有する複数の第2連結コマと、前記複数の第2連結コマのうち先端の第2連結コマは前記複数の第1連結コマのうち先端の第1連結コマと接続される、前記第1連結コマはその上部において前記第2連結コマに接合されることにより屈曲が拘束されて柱状体が構成される、前記第1、第2連結コマの分離により前記柱状体が解除される、
     前記第1連結コマを前記第2連結コマに接合し前記柱状体を構成するととともに前記柱状体を支持する射出部とを具備し、
     前記複数の第1連結コマは上部と下部とで交互に屈曲可能に連結され、上面同士と下面同士が交互に重ねられて基部に収納されることを特徴とするロボットアーム機構。
  2.  回転関節部と直動伸縮関節部とを有するロボットアーム機構において、
     前記直動伸縮関節部は、
     屈曲可能に連結された断面ロ字形状を有する複数の連結コマと、前記連結コマは屈曲が拘束されて柱状体が構成される、
     前記連結コマを前記柱状体に構成するととともに前記柱状体を支持する射出部とを具備し、
     前記複数の連結コマは上部と下部とで交互に屈曲可能に連結され、上面同士と下面同士が交互に重ねられて基部に収納されることを特徴とするロボットアーム機構。
  3.  複数の関節部を有するロボットアーム機構において、
     前記複数の関節部うち第1関節部は第1軸を中心としたねじり回転関節部であり、
     前記複数の関節部うち第2関節部は第2軸を中心とした曲げ回転関節部であり、
     前記複数の関節部うち第3関節部は第3軸を中心とした直動伸縮関節部であり、
     前記直動伸縮関節部は、
     屈曲可能に連結された断面コ字形状を有する複数の第1連結コマと、
     屈曲可能に連結された平板形状を有する複数の第2連結コマと、前記複数の第2連結コマのうち先端の第2連結コマは前記複数の第1連結コマのうち先端の第1連結コマと接続される、前記第1連結コマはその上部において前記第2連結コマに接合されることにより屈曲が拘束されて柱状体が構成される、前記第1、第2連結コマの分離により前記柱状体が解除される、
     前記第1連結コマを前記第2連結コマに接合し前記柱状体を構成するととともに前記柱状体を支持する射出部と、
     前記複数の第1連結コマを前記第2軸及び前記第3軸に直交する軸周りに巻き取る巻取部とを具備することを特徴とするロボットアーム機構。
  4.  複数の関節部を有するロボットアーム機構において、
     前記複数の関節部うち第1関節部は第1軸を中心としたねじり回転関節部であり、
     前記複数の関節部うち第2関節部は第2軸を中心とした曲げ回転関節部であり、
     前記複数の関節部うち第3関節部は第3軸を中心とした直動伸縮関節部であり、
     前記直動伸縮関節部は、
     屈曲可能に連結された断面コ字形状を有する複数の第1連結コマと、
     屈曲可能に連結された平板形状を有する複数の第2連結コマと、前記複数の第2連結コマのうち先端の第2連結コマは前記複数の第1連結コマのうち先端の第1連結コマと接続される、前記第1連結コマはその上部において前記第2連結コマに接合されることにより屈曲が拘束されて柱状体が構成される、前記第1、第2連結コマの分離により前記柱状体が解除される、
     前記第1連結コマを前記第2連結コマに接合し前記柱状体を構成するととともに前記柱状体を支持する射出部と、
     前記複数の第1連結コマを前記第2軸周りに巻き取る巻取部とを具備することを特徴とするロボットアーム機構。
  5.  回転関節部と直動伸縮関節部とを有するロボットアーム機構において、
     前記直動伸縮関節部は、
     屈曲可能に連結された断面ロ字形状を有する複数の連結コマと、前記連結コマは屈曲が拘束されて柱状体が構成される、
     前記連結コマを前記柱状体に構成するととともに前記柱状体を支持する射出部と、
     前記複数の連結コマを前記柱状体の中心軸に直交する軸周りに巻き取る巻取部とを具備することを特徴とするロボットアーム機構。
  6.  屈曲可能に連結された断面ロ字形状を有する複数の第1連結コマと、
     屈曲可能に連結された平板形状を有する複数の第2連結コマと、前記複数の第2連結コマのうち先端の第2連結コマは前記複数の第1連結コマのうち先端の第1連結コマと接続される、前記第1連結コマはその上部において前記第2連結コマに接合されることにより屈曲が拘束されて柱状体が構成される、前記第1、第2連結コマの分離により前記柱状体が解除される、
     前記第1連結コマを前記第2連結コマに接合し前記柱状体を構成するととともに前記柱状体を支持する射出部とを具備し、
     前記複数の第1連結コマは上部と下部とで交互に屈曲可能に連結され、上面同士と下面同士が交互に重ねられて基部に収納されることを特徴とする直動伸縮機構。
  7.  屈曲可能に連結された断面ロ字形状を有する複数の連結コマと、前記連結コマは屈曲が拘束されて柱状体が構成される、
     前記連結コマを前記柱状体に構成するととともに前記柱状体を支持する射出部とを具備し、
     前記複数の連結コマは上部と下部とで交互に屈曲可能に連結され、上面同士と下面同士が交互に重ねられて基部に収納されることを特徴とする直動伸縮機構。
  8.  屈曲可能に連結された断面コ字形状を有する複数の第1連結コマと、
     屈曲可能に連結された平板形状を有する複数の第2連結コマと、前記複数の第2連結コマのうち先端の第2連結コマは前記複数の第1連結コマのうち先端の第1連結コマと接続される、前記第1連結コマはその上部において前記第2連結コマに接合されることにより屈曲が拘束されて柱状体が構成される、前記第1、第2連結コマの分離により前記柱状体が解除される、
     前記第1連結コマを前記第2連結コマに接合し前記柱状体を構成するととともに前記柱状体を支持する射出部と、
     前記複数の第1連結コマを前記柱状体の中心軸に直交する軸周りに巻き取る巻取部とを具備することを特徴とする直動伸縮機構。
  9.  屈曲可能に連結された断面ロ字形状を有する複数の連結コマと、前記連結コマは屈曲が拘束されて柱状体が構成される、
     前記連結コマを前記柱状体に構成するととともに前記柱状体を支持する射出部と、
     前記複数の連結コマを前記柱状体の中心軸に直交する軸周りに巻き取る巻取部とを具備することを特徴とする直動伸縮機構。
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